Comment fonctionne un frein à courants de Foucault ?

De quoi avez-vous besoin ?

Rouleau de papier aluminium (acheté au supermarché)
Aimant sphérique néodyme 20 mm

Regardons l'expérience suivante avec une sphère magnétique et un rouleau d'aluminium :

Une sphère magnétique néodyme d'un diamètre de 20 mm et d'un poids d'env. 30 g est laissé tomber à travers un rouleau de papier aluminium ménager tenu verticalement.
Le rouleau d'aluminium a un diamètre intérieur d'environ 25 mm. Il est donc suffisamment grand pour ne pas gêner mécaniquement la bille magnétique et donc ne pas la freiner. La longueur du rouleau d'aluminium est d'environ 300 mm

Théorie

Selon les lois de la chute libre (s=1/2*g*t^2 ; s=distance, g = accélération de la pesanteur, t=temps), on obtient pour le temps que met la balle en chute libre pour parcourir la distance de 0.3 m, environ 0,24 s.
On peut négliger les forces de frottement de l'air en raison du poids de la bille dans cette expérience.

Pratique

Nous mesurons maintenant le temps nécessaire à la bille magnétique (aimant en néodyme) pour tomber à travers le rouleau d'aluminium.
Nous mesurons environ 1,3 seconde, soit plus de 5 fois le temps de chute libre de la bille magnétique.

Comment se produit cet effet?

La feuille d'aluminium composée d'aluminium quasi pur n'est pas ferromagnétique. Nous pouvons facilement le vérifier en testant si la feuille est attirée par l'aimant néodyme.
En effet, ce n'est pas le cas.
Mais la feuille d'aluminium est bien conductrice d'électricité, ce que nous pouvons rapidement confirmer avec un ohmmètre.

Que se passe-t-il donc ?

L'explication est relativement simple :  Le champ magnétique qui se modifie localement en raison du mouvement de la bille magnétique génère un courant électrique dans le conducteur électrique qu'est la feuille d'aluminium, conformément à la loi de l'induction.
Il s'agit en fait de courants de Foucault qui traversent l'aluminium de manière circulaire.
Ces courants de Foucault génèrent à leur tour un champ magnétique qui est opposé au champ magnétique généré par la bille magnétique. En raison de la direction opposée des deux champs magnétiques, ceux-ci s'attirent et la bille magnétique tente de rester en place grâce au champ magnétique induit.
Il en résulte une bille magnétique qui tombe de manière freinée.
Comme les courants de Foucault et donc le champ magnétique opposé sont d'autant plus forts que la bille magnétique tombe rapidement, on obtient au bout de peu de temps une vitesse de chute constante, contrairement à la chute libre, où le corps qui tombe ne cesse d'accélérer.

Les freins à courants de Foucault fonctionnent selon le même principe dans les véhicules tels que les bus ou les trains.

Si l'on souhaite reproduire cette expérience magnétique, il faut un aimant puissant, de préférence un aimant au néodyme. Les aimants en ferrite et les courants de Foucault induits, ainsi que le champ magnétique qui y est associé, sont nettement plus faibles, ce qui rend l'effet de freinage également nettement plus faible.
En outre, la taille de l'aimant doit être choisie de manière à ce que la distance entre l'aimant et la feuille d'aluminium ne soit pas trop grande.

On peut également réaliser une expérience similaire avec un rail en aluminium comme plan incliné. Dans ce cas, on fait rouler un aimant sphérique le long du rail magnétique incliné.

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On constate ici (même sans mesurer le temps) que la bille roule beaucoup plus lentement sur le plan que ce ne serait normalement le cas sur un rail en bois ou en plastique par exemple.
L'explication de cet effet est la même que celle décrite ci-dessus. Les courants de Foucault générés dans le rail par la bille magnétique en mouvement créent un champ magnétique qui freine la bille magnétique en mouvement.


Produits utilisés dans notre boutique:

Boule magnétique / aimant sphérique Ø 20,0 mm néodyme nickelé N40 - tient 6,1 kg